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精密鑄造的溫度測量控制
作者：
時(shí)間：2013-05-02
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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成功的精密鑄造廠(chǎng)家知道工藝過(guò)程控制對于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的重要性。鑄造工藝中的關(guān)鍵變量包括鑄模溫度、鑄模的隔熱特性、周期時(shí)間和操作人員的方法等，但是，其中最關(guān)鍵的工藝變量是金屬溫度。在精密鑄造工藝中，金屬溫度的非接觸測量有著(zhù)許多重大困難，但是，最近開(kāi)發(fā)出來(lái)的一套裝置可提供實(shí)時(shí)精度的量化反饋，揭示出了潛在問(wèn)題。
溫度的重要性
在精密鑄造工藝中，特別是在“等軸”工藝中，金屬溫度是起支配作用的因素，因此，也對許多質(zhì)量特性有著(zhù)直接的影響。如果測量和控制不當，金屬溫度的差異會(huì )對成品鑄件尺寸、晶粒尺寸、疏松（表面和內部）、機械性能、產(chǎn)品品質(zhì)（即熱撕裂的傾向性 ）、薄壁部分的充滿(mǎn)度等方面產(chǎn)生影響。
因此，改進(jìn)金屬溫度的測量和控制將會(huì )提高質(zhì)量和生產(chǎn)率，降低維護和勞動(dòng)力成本，減少測試費用和責任賠償費用等。
溫度測量的難度
精密鑄造，特別是使用感應熔化設備的精密鑄造一般使用某種類(lèi)型的非接觸性紅外輻射熱電偶或高溫計作為金屬溫度測量的主要或次要手段。使用常規高溫計的人們或許并不了解他們所作測量的潛在誤差來(lái)源，只是簡(jiǎn)單地注意儀器的“精度”技術(shù)條件，因而常常受到誤導。這些精度技術(shù)條件只是在實(shí)驗室環(huán)境中的理想目標。真實(shí)世界中的一些情況會(huì )導致令人驚奇的高測量誤差值，它們包括（但不局限于）下述各項：
1、 未知/變化中的發(fā)射率—多種合金、擾動(dòng)效應、溫度和波長(cháng)的依賴(lài)性以及加工過(guò)程中成分的變化等，所有這些都對發(fā)射率的不可預見(jiàn)性起著(zhù)作用。
2、 蒸汽發(fā)射：對高壓熔化（接近和在大氣壓以上）而言，熔池或坩堝中溢出的氣體會(huì )增加或減少熱輻射，因此造成誤差。
3、 觀(guān)察孔障礙：對多數儀器而言，信號的任何減弱都會(huì )造成溫度指示值的下降；觀(guān)察窗上的污物影響多數高溫計的精度。
4、 觀(guān)察窗玻璃材料：不是所有玻璃都具有同樣的透射性能；有的是“灰”色的，而另外一些玻璃的透射性則隨波長(cháng)而發(fā)生變化。這會(huì )讓常規高溫計失靈。
5、 校驗：行業(yè)標準是每年校驗一次，但是，儀器的漂移和失效有自己的日程，理想的做法是對工廠(chǎng)使用的所有光學(xué)元件都進(jìn)行校驗（觀(guān)察玻璃或觀(guān)察鏡）。
6、 儀器校準：通過(guò)透鏡瞄準要求兩個(gè)光學(xué)路程準確重疊，這會(huì )影響所有等級的常規高溫計。
這些困難是光學(xué)溫度測量所特有的困難。同時(shí)，還有與工藝相關(guān)的困難，這使得任何類(lèi)型儀器儀表的溫度測量變得復雜化了，包括：
1、 工藝變量的可接受范圍：除非整個(gè)熔化爐都處于穩定狀態(tài)（通常情況下，這是不現實(shí)的），否則，在澆鑄過(guò)程中，溫度會(huì )有一個(gè)范圍，很重要的是，這個(gè)溫度范圍必須能保證產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)。
2、 信號處理能力：測量?jì)x器與控制設備之間的每個(gè)模擬打到數字或數字到模擬轉換都是潛在誤差源，寬廣的模擬范圍導致精密度的缺乏。
3、 熔化技術(shù)：不良熔化技術(shù)會(huì )導致高蒸汽壓力元素過(guò)渡沸騰、熔池表面產(chǎn)生擾動(dòng)或形成反應產(chǎn)品，所有這些都會(huì )造成常規高溫計的誤差。
4、 鑄錠、坩堝、線(xiàn)圈間的匹配：對于熔化周期特性而言，熔化系統的這三個(gè)組分都是重要的。匹配不當會(huì )造成熔化緩慢和不均勻、局部過(guò)熱或濺射。上述這些也都是常規高溫計誤差的來(lái)源。
高溫光譜儀對于問(wèn)題的解決
高溫測量技術(shù)有其固有的優(yōu)越性：沒(méi)有污染，解除傳感器也不會(huì )中毒；安裝使用簡(jiǎn)便；可進(jìn)行連續測量；沒(méi)有消耗材料；災難性故障（喪失測量功能）極其稀少?，F在，高溫測量科學(xué)的進(jìn)步已經(jīng)解決了在使用中與真實(shí)世界相關(guān)聯(lián)的各種問(wèn)題。高溫光譜儀是一種全新的儀器，它是一種專(zhuān)家系統型的多波長(cháng)高溫計，在解決這些問(wèn)題方面具有良好能力。
除了提供卓越的真實(shí)世界中的精度之外，高溫能光譜儀還有許多其它優(yōu)點(diǎn)：它能提供每次測量時(shí)的質(zhì)量實(shí)時(shí)讀數以及公差（即測量時(shí)的不確定程度）；它還能提供信號強度，同樣溫度和狀態(tài)下的目標與理想目標之間的對比。這兩項功能可提供有關(guān)原料和工藝狀態(tài)的寶貴信息，有助于確保合金成分的正確并顯示出合金材料是否被沸騰蒸發(fā)。顯然，用戶(hù)掌握了這些信息還可將其應用于一些更為高級的領(lǐng)域中。
在各種不同應用中，高溫光譜儀已經(jīng)解決了非接觸性溫度測量的困難。
1、發(fā)射率：發(fā)射率會(huì )隨著(zhù)每批材料樣品而發(fā)生變化，，是高溫測量中理論計算與真實(shí)世界中材料行為的一種關(guān)聯(lián)關(guān)系。對精密鑄造業(yè)而言，金屬的發(fā)射率變化極其大。任何一個(gè)樣品，其發(fā)射率取決于成分、機械和熱性能的歷史狀況、進(jìn)行測量時(shí)的波長(cháng)以及溫度本身。分析人員認為，溫度的相對誤差與發(fā)射率的相對誤差成正比，即： 
其中：T為溫度，是發(fā)射率，ΔT和 Δ是各自的誤差。對精密鑄造而言，液態(tài)金屬的發(fā)射率數值經(jīng)常在0.15～0.30范圍內，分母中發(fā)射率的小數值會(huì )對溫度誤差造成大的影響。
一個(gè)鑄造車(chē)間可能提供20種或30 種不同合金元素制成的零件，合金材料發(fā)生少量變化對金屬發(fā)射率產(chǎn)生影響的量化工作尚未大規模地開(kāi)展，所以，精密鑄造合金的發(fā)射率沒(méi)有手冊可以查詢(xún)。成分的類(lèi)似性不能用于估算發(fā)射率，少量添加劑可大大地改變發(fā)射率。如圖1所示，圖中所示的兩種合金的發(fā)射率，其成分差異總共為添加元素的2%原子量。由此產(chǎn)生的發(fā)射率方面的差異使得按照一種合金“校驗”的高溫計產(chǎn)生幾百度的讀數誤差。大的誤差會(huì )造成工藝混亂，使熔煉爐停產(chǎn)數天。
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